自密實(shí)混凝土在窄口水庫泄洪洞襯砌工程應(yīng)用的研究

黃綿松 李風(fēng)亮 李紅旭

(1.清華大學(xué)水利水電工程系 北京 100084;2.青海省海西州水務(wù)局青海德令哈 817000;3.北京華實(shí)水木科技有限公司 北京 100084)

1 引言

窄口水庫位于河南省靈寶市南23km處,是黃河支流弘農(nóng)澗河中游的一座大 (Ⅱ)型水庫。水庫控制流域面積903km2,總庫容1.85億m3,最大壩高77m,主要建筑物有大壩、主溢洪道、非常溢洪道、泄洪洞、灌溉 (發(fā)電)洞、水庫電站等六大主體。其中水庫泄洪洞長約300m,外洞徑3.4m,襯砌厚度0.15m,且豎井垂直高度達(dá)到70m,是典型的狹小空間,復(fù)雜地形的隧洞襯砌工程。泄洪洞襯砌層厚度薄配筋密,鋼筋間隙最小處僅有5cm,采用常規(guī)混凝土進(jìn)行澆筑時(shí)難以振搗密實(shí)。

自密實(shí)混凝土 (Self-Compacting Concrete,簡稱SCC)上世紀(jì)80年代由日本東京大學(xué)的崗村甫教授研制成功,它是指在澆筑過程中無需施加任何振搗,僅依靠混凝土自重就能完全填充至模板內(nèi)任何角落和鋼筋間隙并且不發(fā)生離析泌水的混凝土。鋼筋密集、有特殊形狀的工程中鋼筋間距較小,使用常規(guī)混凝土?xí)r不易或者不能振搗密實(shí),使用自密實(shí)混凝土可以確保建筑物中混凝土的密實(shí)。

為了保證窄口水庫泄洪洞襯砌層的澆筑密實(shí),本研究采用北京華實(shí)水木科技有限公司設(shè)計(jì)的專用自密實(shí)混凝土進(jìn)行襯砌層的澆筑,并結(jié)合現(xiàn)場施工情況進(jìn)行施工方案設(shè)計(jì)比選,最終成功完成襯砌層的自密實(shí)混凝土澆筑,為自密實(shí)混凝土技術(shù)在隧洞襯砌工程中復(fù)雜條件下施工提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。本文首先對工程中所采用的自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹,然后對窄口工程中進(jìn)行自密實(shí)混凝土施工方案進(jìn)行對比分析,最后對自密實(shí)混凝土在窄口工程中成功應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)。

2 自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)

2.1 原材料

1)水泥。普通硅酸鹽 42.5水泥 (P.O 42.5);

2)粉煤灰。一級粉煤灰;

3)砂。級配情況較好中砂,表觀密度為2.56g/cm3;

4)石子。石灰石碎石,表觀密度2.75g/cm3;5)減水劑。HS-T自密實(shí)混凝土專用外加劑。

2.2 自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)

2.2.1 傳統(tǒng)的自密實(shí)混凝土的設(shè)計(jì)思路

自密實(shí)混凝土的設(shè)計(jì)理念與常規(guī)混凝土最大的差別在于:自密實(shí)混凝土在配合比設(shè)計(jì)上用粉體取代了相當(dāng)數(shù)量的石子,通過高效減水劑的分散和塑化作用,使?jié){體具有優(yōu)良的流動性和粘聚性,能夠有效的包裹輸運(yùn)石子,從而達(dá)到自密實(shí)的效果。圖1將自密實(shí)混凝土的配合比與常規(guī)混凝土的組分比例進(jìn)行了比較。

在常規(guī)混凝土的設(shè)計(jì)思路中,對工作性能的設(shè)計(jì)非常簡單,往往是根據(jù)粗骨料的粒徑查表得到對應(yīng)的用水量,再根據(jù)砂的細(xì)度模數(shù)查表確定砂率,然后通過水灰比公式和自身經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)滿足一定強(qiáng)度要求的混凝土,最后利用質(zhì)量法或體積法計(jì)算得到所需強(qiáng)度等級和工作度要求的混凝土。這樣的配合比設(shè)計(jì)方法在強(qiáng)度上是相對嚴(yán)格的,而對工作性能的控制非常粗糙,檢測手段也非常傳統(tǒng)和單一,僅參考坍落度指標(biāo)。而對自密實(shí)混凝土而言,為了保證自密實(shí)性能在配合比設(shè)計(jì)上對于每方混凝土中砂、石、粉體和水的體積比例控制非常嚴(yán)格,出于準(zhǔn)確和方便的考慮建議使用體積法進(jìn)行自密實(shí)混凝土的配合比設(shè)計(jì)。

圖1 自密實(shí)混凝土的組分比例(需使用高效減水劑)

自密實(shí)混凝土的制備會因?yàn)椴牧系牟町惗鴮ε浜媳仍O(shè)計(jì)產(chǎn)生較大的影響;也就是說使用不同砂、石、膠凝材料和減水劑的自密實(shí)混凝土配合比會有一定的差異。所以不僅不能夠給出一系列通用的配合比設(shè)計(jì),也很難在自密實(shí)混凝土的配合比設(shè)計(jì)上給出一個(gè)既準(zhǔn)確又經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方法,要想配制出性能與經(jīng)濟(jì)性兩者兼顧的自密實(shí)混凝土在實(shí)踐中積累是至關(guān)重要的。東京大學(xué)崗村甫教授實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過多年研究提出了一整套的自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)方法,依照這個(gè)方法經(jīng)過一定的調(diào)整就能夠制備出性能優(yōu)良的自密實(shí)混凝土,它的優(yōu)點(diǎn)在于易于掌握,設(shè)計(jì)出來的自密實(shí)混凝土性能比較穩(wěn)定;但是,它最大的不足就在于膠凝材料用量過大,往往要使用600kg以上的膠凝材料。崗村教授所提出的自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)方法可簡要概括為以下幾點(diǎn):

(1)粗骨料的松堆體積占每方混凝土體積的50%;

(2)細(xì)骨料的體積占砂漿體積的40%～42%;

(3)體積水膠比建議為0.9～1.0,具體取決于膠凝材料的組成與性質(zhì);

(4)高效減水劑的摻量則通過試配調(diào)整得到。

2.2.2 專用自密實(shí)混凝土配合比

根據(jù)窄口水庫的設(shè)計(jì)要求,專用自密實(shí)混凝土應(yīng)滿足C40的要求。工程所使用水泥的體積平均粒徑為12.44um,粉煤灰的體積平均粒徑為7.05um,膠凝材料級配較好。從圖1中可以看到,自密實(shí)混凝土具有高性能必須具有一定體積膠凝材料用量。其中膠凝材料包括水泥、粉煤灰及砂中粉體。根據(jù) 《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL 352-2006)中的相關(guān)規(guī)定,自密實(shí)混凝土中用砂最好為中砂或中粗砂,根據(jù)篩分結(jié)果可知此砂為Ⅱ區(qū)中砂,級配較好。因石子粒徑為5～10mm,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)單方石子用量一般不超過290L。綜合上述材料情況及強(qiáng)度等級要求,體積水膠比宜控制在0.9～1.1之間,膠凝材料用量約為600kg。

配合比試驗(yàn)采用HJW-60型雙臥軸試驗(yàn)室砼攪拌機(jī),首先用水把攪拌機(jī)潤濕,然后依次把稱量好的石子、砂、水泥、粉煤灰放入攪拌機(jī)中,攪拌15秒停機(jī)。啟動攪拌機(jī)把稱量好的水及外加劑混合后均勻倒入攪拌機(jī)中,攪拌3min后出機(jī)。立即測擴(kuò)展度、坍落度及V漏斗時(shí)間。在上述分析的建議范圍內(nèi)進(jìn)行大量試驗(yàn)后,得到一組專用自密實(shí)混凝土配合比,見表1,28天抗壓強(qiáng)度數(shù)值見表2。

表1 專用自密實(shí)混凝土配合比(kg/m3)

表2 專用自密實(shí)混凝土28d抗壓強(qiáng)度(MPa)

上述配合比的28d抗壓強(qiáng)度均能夠滿足C40的要求,綜合配合比的材料價(jià)格及自密實(shí)混凝土工作性能,為最終窄口水庫工程專用自密實(shí)混凝土配合比。

3 自密實(shí)混凝土施工方案

現(xiàn)場施工條件復(fù)雜,工程師們對現(xiàn)場自密實(shí)混凝土澆筑方案不斷的實(shí)驗(yàn)和改進(jìn),在總結(jié)不同澆筑實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)的基礎(chǔ)上,得到了適合工程實(shí)際情況的施工方案。

圖2 自密實(shí)混凝土施工方案示意圖

罐車運(yùn)輸SCC至豎井口,通過內(nèi)徑105mm的泵管自由下落,上端連接有接料漏斗,下端連接同樣內(nèi)徑的135度左右的彎頭。在長度為70m的豎直泵管中部加設(shè)一根“S”型泵管,用作緩沖,目的是減小混凝土下降的巨大落差,從而較好的改善由于落差過大沖力過強(qiáng)造成的混凝土骨料分離。為了最大限度的縮短泵機(jī)與澆筑點(diǎn)的距離,減少泵壓損失,采用人工小推車進(jìn)行水平運(yùn)輸,在彎管處接料,并在彎頭處加設(shè)一個(gè)緩沖控制閥,控制管內(nèi)出料速度,從地面到泵車料斗搭設(shè)木板斜坡小推車接料后由工人運(yùn)輸至泵車料斗。自密實(shí)混凝土施工流程如圖3所示。

采用第此施工方案進(jìn)行施工后,窄口水庫現(xiàn)已順利完成三倉襯砌自密實(shí)混凝土施工,每倉正常澆注時(shí)間約10h,理論澆注方量為23m3,實(shí)際澆筑方量均在25m3以上。按照施工要求,圓滿成功。

4 工程經(jīng)驗(yàn)

此次澆筑方案的成功為自密實(shí)混凝土技術(shù)在隧洞襯砌工程中復(fù)雜條件下施工提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn),解決了狹小空間隧洞襯砌施工中困擾業(yè)界的難題,具有廣泛推薦使用的價(jià)值。

4.1 防止超徑的骨料進(jìn)入豎井

豎井口入料處安置2cm×2cm的鋼筋過濾網(wǎng),防止超徑的骨料進(jìn)入豎井。

4.2 防止最下部堵管

由于豎井內(nèi)徑很小僅105mm,豎井最下端采用4m的“丿”型鋼管(與水平管相連接的彎頭角度約135°)與上部的65m豎直鋼管,采用“丿”型鋼管可以有效避免自密實(shí)砼在豎井內(nèi)發(fā)生骨料分離而造成最下部堵管。而且“丿”型鋼管更便于工人控制控制閥。

4.3 澆注點(diǎn)的布置

15m的澆注倉面共有9個(gè)澆注點(diǎn),側(cè)面模板每隔5m有一個(gè)澆注點(diǎn)共六個(gè),頂部每隔5m有一個(gè)沖天管并配有控制閥共三個(gè)。澆注順序?yàn)?先澆注側(cè)面模板,側(cè)面澆注點(diǎn)澆注滿后進(jìn)行封堵,然后再澆注下一點(diǎn)。最后澆注頂部三個(gè)沖天管,澆注滿后關(guān)閉閥門。

沖天管的控制閥門也是特制的,采用一般的控制閥在混凝土壓力下無法關(guān)閉或者由于砼壓力過大造成破壞,施工單位采用1cm厚的鋼板在中間切割一個(gè)與沖天管內(nèi)徑相同的圓孔作為閥門。

5 結(jié)論

自密實(shí)混凝土拆模后整體效果較好,無不密實(shí)的部位,無蜂窩、狗洞的出現(xiàn)。也沒有冷縫和混凝土分離現(xiàn)象發(fā)生,混凝土呈一個(gè)整體,只是由于不是整體模板所以在模板的接縫處會出現(xiàn)輕微錯(cuò)臺,但不會影響外觀。

窄口經(jīng)驗(yàn)是在施工條件復(fù)雜、狹小、異型空間的混凝土襯砌典型案例,工程技術(shù)人員通過實(shí)踐留下的寶貴成果,推廣與借鑒可以直接縮短同類條件下工程項(xiàng)目施工探索與研究的過程,不僅可以縮短工期、降低成本,最為重要的是這些基于現(xiàn)場條件積累的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)最終形成的一套自密實(shí)混凝土在這種特殊條件施工的方法,對于類似工程具有很好的借鑒作用。